Вопрос о том, бесконечна ли Вселенная, — один из самых старых и самых глубоких в науке и философии. Если она бесконечна, то за самым далёким объектом, который мы можем увидеть, простираются бесконечные пространства с бесконечным количеством галактик, звёзд и, возможно, разумных цивилизаций. Если она конечна, то за её пределами — пустота (ничего, даже пространства) или… что-то ещё, о чём мы не можем даже помыслить.
Удивительно, но современная космология может дать вполне определённый ответ. Не окончательный, но очень близкий к нему.
1. Что значит «бесконечная Вселенная» в науке
Прежде чем обсуждать, нужно договориться о терминах. В физике и астрономии «Вселенная» — это всё, что существует. У неё нет «внешней стороны» в привычном смысле. Если она конечна, то у неё есть объём, но нет границы (как у поверхности шара — она конечна, но не имеет края). Если бесконечна — то она простирается без конца во всех направлениях.
Важно понимать: мы говорим о пространственной бесконечности (бесконечно ли пространство), а не о временной (возраст Вселенной конечен — 13,8 миллиарда лет).
Современные теории (общая теория относительности плюс космологический принцип — Вселенная однородна и изотропна на больших масштабах) предсказывают три возможные глобальные геометрии: замкнутую (сферическую, конечную), плоскую (евклидову, бесконечную) и открытую (гиперболическую, тоже бесконечную). Только первая — конечна по объёму. Две другие — бесконечны.
Замкнутая Вселенная (сферическая) имеет конечный объём, но у неё нет границы. Если лететь в одном направлении достаточно долго, можно вернуться в исходную точку — как кругосветное путешествие на Земле, только в трёх измерениях.
2. Ключевой параметр: средняя плотность Вселенной
Различие между этими тремя случаями определяется одним числом — средней плотностью вещества и энергии во Вселенной.
- Если средняя плотность больше критической, то гравитация достаточно сильна, чтобы «замкнуть» Вселенную. Она конечна и сферична.
- Если плотность равна критической, Вселенная плоская (евклидова) и бесконечная.
- Если плотность меньше критической, Вселенная открытая (гиперболическая) и тоже бесконечная.
Задача космологов — измерить среднюю плотность Вселенной с максимальной точностью и сравнить с критической.
На сегодняшний день измерения показывают: плотность равна критической в пределах точности измерений (0,5-1%). То есть Вселенная плоская. А плоская бесконечна.
Даже небольшая погрешность в измерениях плотности может означать, что Вселенная не точно плоская, а очень близка к плоской — но всё же замкнутая или открытая. Например, если она замкнута, то её радиус может быть во много раз больше наблюдаемой части. Мы просто не можем измерить настолько малую кривизну.
3. Как измерили плотность Вселенной
Астрономы использовали два независимых метода, которые дали согласованные результаты.
Первый метод — подсчёт видимого вещества. Суммируя массу звёзд, газа, пыли, чёрных дыр, планет и всего, что светится или поглощает свет, получаем около 5% от критической плотности. Это обычное (барионное) вещество.
Второй компонент — тёмная материя. Её существование доказывается движением галактик в скоплениях, гравитационным линзированием и скоростями вращения галактик. Тёмной материи примерно в 5 раз больше, чем обычной. Сумма обычного вещества и тёмной материи даёт около 27-30% от критической плотности.
Третий компонент — тёмная энергия. Она составляет оставшиеся 70%. Её существование было открыто по ускоряющемуся расширению Вселенной (Нобелевская премия 2011 года). Тёмная энергия тоже вносит вклад в общую плотность (точнее, в уравнение состояния пространства-времени).
Сумма всех трёх компонентов: 5% (обычное вещество) + 27% (тёмная материя) + 68% (тёмная энергия) = 100% критической плотности. С погрешностью в 1-2% — единица.
Тёмная энергия имеет отрицательное давление, что заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Без неё плотность была бы ниже критической, и Вселенная была бы открытой.
4. Второе доказательство: реликтовое излучение
Независимое подтверждение пришло от изучения реликтового излучения — «эха» Большого взрыва. Спутник "Планк" (2013-2015) измерил температурные флуктуации этого излучения с невероятной точностью.
Размер пятен на карте реликтового излучения зависит от геометрии Вселенной. В плоской Вселенной характерный размер должен составлять около 1 градуса. В замкнутой — больше, в открытой — меньше.
Измерения "Планк" показали: угловой размер пятен соответствует плоской Вселенной с точностью до 0,2-0,4%. То есть Вселенная либо точно плоская, либо настолько близка к плоской, что её кривизна неразличима современными приборами.
Если Вселенная всё же замкнута, то её радиус должен быть не менее 250 раз больше радиуса наблюдаемой части. Это означает, что полный объём Вселенной в миллионы раз больше того, что мы видим.
5. Что за пределами наблюдаемой Вселенной
Наблюдаемая Вселенная — это сфера радиусом 46,5 миллиарда световых лет (примерно). Это не возраст Вселенной, умноженный на скорость света, потому что пространство расширялось, пока свет шёл. За этим пределом мы не можем видеть объекты — их свет просто не успел до нас дойти за 13,8 миллиарда лет существования Вселенной.
Что там? Если Вселенная бесконечна, то там — бесконечное количество галактик, скоплений, войдов, возможно, бесконечное количество разумных цивилизаций и даже бесконечное количество точных копий нашей планеты (из-за бесконечности комбинаций). Это называется «проблема бесконечности» — если Вселенная бесконечна, то всё, что возможно (согласно законам физики), где-то существует бесконечное число раз.
Если Вселенная конечна (но очень велика), то за пределами наблюдаемой части — остальная часть той же конечной вселенной, возможно, с тем же набором законов физики, но не бесконечная.
Мы не можем увидеть свет из-за предела наблюдаемой Вселенной не только потому, что он не успел дойти, но и потому, что пространство расширяется быстрее скорости света за этим горизонтом. Галактики, которые сейчас находятся за горизонтом, никогда не станут видны — их свет никогда не догонит нас.
6. Как можно было бы проверить бесконечность напрямую
Прямо доказать бесконечность невозможно. Даже если мы когда-нибудь увидим объекты на расстоянии 100 миллиардов световых лет, за ними всё равно может простираться бесконечное пространство. Мы никогда не сможем «дойти до края» и сказать: «Всё, дальше ничего нет».
Но можно попытаться доказать конечность. Например, если бы мы обнаружили, что Вселенная замкнута, мы бы знали, что она конечна (хотя и огромна). Признаком могло бы быть повторение структур — если пространство замкнуто, то далёкие объекты могут быть видны в нескольких направлениях (как в комнате с зеркалами, но сложнее). Ничего подобного не наблюдается.
Другой способ — поиск гравитационных волн от самого Большого взрыва (первичные гравитационные волны). Их спектр может зависеть от глобальной геометрии. Но такие наблюдения — дело далёкого будущего.
Пока что все данные согласуются с плоской, бесконечной Вселенной. Но это не окончательное доказательство, а лишь наиболее правдоподобная модель.
7. Философский аспект: что значит «бесконечность» для нас
Даже если Вселенная бесконечна, это не означает, что мы можем её «освоить» или «исследовать». Скорость света конечна, а расширение пространства ускоряется. Более 95% галактик в бесконечной Вселенной находятся от нас за космологическим горизонтом — их свет никогда не достигнет Земли.
Кроме того, бесконечность порождает странные следствия. Например, если пространство бесконечно и вещество распределено однородно, то существуют бесконечные копии нашей планеты (в силу бесконечного числа комбинаций частиц в конечном объёме). Это не фантастика — это прямое следствие законов вероятности в бесконечной Вселенной. Однако эти копии находятся так далеко, что мы никогда не сможем с ними связаться или даже узнать об их существовании.
Многие физики считают, что вопрос о бесконечности Вселенной относится скорее к метафизике, чем к физике — потому что его нельзя проверить экспериментально даже в принципе (только если Вселенная окажется замкнутой). Поэтому они предпочитают говорить о «наблюдаемой Вселенной» (которая конечна) и о «Вселенной в целом» (о которой мы можем строить модели, но не можем доказать их истинность).
Итог
Может ли Вселенная быть бесконечной? Да, может. Более того, все современные данные (измерения плотности, реликтовое излучение, крупномасштабная структура) указывают на то, что она плоская, а плоская Вселенная в стандартной космологии бесконечна. Однако точность измерений не позволяет исключить очень малую кривизну. Если Вселенная всё же замкнута, то её радиус в сотни раз превышает радиус наблюдаемой части, и для практических целей она «почти бесконечна».
Прямо доказать бесконечность невозможно — мы никогда не сможем исследовать бесконечно удалённые области. Но мы можем строить модели, которые наилучшим образом описывают все имеющиеся данные. И эти модели сегодня говорят: Вселенная, скорее всего, бесконечна.
Подпишись, если понравилась статья!